Бинарецепторные эффекты зрения как аналог бинауральных биений

Бинауральные биения – явление, которое хорошо изучено с практической точки зрения, но плохо объяснено теорией. Широко известен эффект их влияния на психическое состояние человека, который однако не подтвержден, поскольку проявляется нестабильно, что не мешает большому количеству народа испытывать их на себе с помощью mind-machines. Однако само по себе это явление кажется невероятно перспективным как с точки зрения его распространенности в Природе, так и относительно его технического применения в будущем, о чем и говорится в этой статье.

Бинауральные биения

Суть бинауральных явлений в том, что при подаче двух монозвуков на близких друг к другу частотах на разные уши, возникают четкие и тихие пульсационные затухания и усиления общего звука, в который эти два монозвука сливаются. Их отличие от монауральных биений в том, что монауральную пульсацию можно услышать и одним ухом, поскольку они представляют собой интерференцию двух волн от двух источников, тогда как бинауральные биения являются артефактом мозга, поскольку интерференция происходит уже после того, как монозвуки были распознаны разными ушами (рецепторами) и обработаны мозгом. То есть, бинауральные биения генерируются непосредственно в мозге, и «слышит» их только мозг! И на данный момент не существует четкой теории о том, как именно это происходит. [1]

Рис.1 Существует так называемая нейрофизиологическая гипотеза, которая состоит в том, что количество нервных импульсов от каждого уха и маршрут, по которому они идут в мозг, определяются частотой падающего звука, и где-то в мозгу эти два нервных сигнала взаимодействуют.

Бинауральные биения обладают интересными особенностями. Во-первых, лучше всего они проявляются в низком диапазоне частот при разнице между частотами 12 Герц. Наилучшая несущая частота для слышимости – 440 Гц. Хотя есть люди, слух которых позволяет слышать их до 1000 Гц, но не выше.

Причем, что важно, бинауральные биения имеют пару существенных особенностей. [2]

Во-первых, если монауральные биения, полученные наложением двух звуков одинаковой интенсивности, будут пульсировать по громкости от максимума до полной тишины, как и следовало бы ожидать по форме результирующей волны, то бинауральные же биения представляют собой только слабую по громкости модуляцию фона. Зачастую для того, чтобы их слышать, необходимо сфокусировать внимание. По мере увеличения разницы амплитуд, биения будут становиться все менее различимыми. 

Во-вторых, бинауральные биения имеют, по ощущениям, примерно одинаковую интенсивность, независимо от относительной интенсивности обоих тонов. Это очень важное свойство, потому что бинауральные биения ощущаются даже когда один из сигналов ниже порога слышимости. В случае тонов в районе 200 Гц биения ощущаются, когда один сигнал имеет громкость (40 Дб), а другой (- 20 Дб), или одну сотую громкости слышимого звука. Очевидно, мозг способен обнаруживать и обрабатывать сигналы даже когда один из них заведомо слаб для сознательного восприятия.

По-видимому, данному эффекту родственен эффект взаимодействия бинауральных биений с шумом. Обычно шум маскирует звуки, которые мы хотим услышать. Например, он подавляет слабый радиосигнал. Однако, восприятие бинауральных биений с помощью шума улучшается!

Рис.2. На схеме слева представлены монауральные условия возникновения биений. Когда сигналы одной и той же интенсивности (одинаковой амплитуды) накладываются, биения изменяются от тишины до максимальной громкости. В случае сигналов различной громкости (неравной амплитуды) интенсивность биений падает. Если тоны сопровождаются достаточно громким шумом, чтобы скрыть их, биения слышны не будут. Схема справа представляет случай бинауральных сигналов, формы волны слева те же, что и выше, но они подаются в каждое ухо по отдельности. При этих условиях биения слышны как в случае равных, так и неравных амплитуд сигналов, и даже в случае если один из них подпороговый. Если сигналы скрыты шумом, бинауральные биения всё равно слышны, в виде модуляций шума.

И в-третьих, существуют гендерные и состоянческие различия восприятия бинауральных биений. При проведении экспериментов на добровольцах, выяснилось, что верхний предел несущих частот у мужчин выше, чем у женщин. При этом при длительной проверке (полтора месяца) восприимчивости женщин к бинауральным явлениям, обнаружилось, что женщины воспринимают спектр тонов в области более высоких частот в начале менструации и во время овуляции, когда женщина наиболее жизнеспособна. У мужчины, с другой стороны, нет никаких изменений слышимости бинауральных биений в течение месяца. [2]

Это очень важные свойства, которые далее сыграют роль косвенных доказательств в пользу последующих гипотез и выводов.

Они, собственно, просты.

Гипотеза существования бинарецепторного мозгового артефакта

Поскольку природа бинауральных биений лежит в области функционирования мозга, логично предположить, что при выполнении тех же условий похожее явление может наблюдаться и для других органов чувств, в частности, для зрения. И более того, может вполне развиваться в процессе естественного отбора как преимущество в выживании в виду своих удивительных качеств.

Предположительно, такое явление для зрения будет основано на том, что какой-либо глаз будет состоять не из одинаковых фоторецепторов, а из двух (или более) различных источников, чувствительных к близким длинам волн. Назовем такое зрение бинарецепторным, по аналогии с бинауральным.

Можно предположить, что обработка мозгом двух близких сигналов (звуковых или световых, возможно, даже тактильных!) вызывает эффект интерференции внутри мозга при ритмической активности нейронных сетей, задействованных в обработке этих сигналов. В таком случае, визуально такой эффект «биений» мог бы проявляться для такого глаза в виде мерцания областей пространства, имеющих близкое цветовое качество.

И такие глаза существуют в Природе! И не просто существуют, а процветают в изобилии, и до сих пор неясно было, зачем этим существам такое зрение. А именно, носителям пяти-, шести-, и даже 16-тихроматорного зрения. То есть когда в глазу много видов фоторецепторов, поскольку, как показывает практика, большинству живых существ достаточно трихроматорного зрения, такого, как у человека.

Stomatopod-ы

Рассмотрим сразу экстремальный случай, поскольку он достаточно хорошо изучен. А именно, рака-богомола, вида Stomatopod. У этого маленького рачка, обитающего в водах теплого океана у коралловых рифов просто невероятно удивительный глаз.

У стоматоподов в глазу по последним данным в глазу работает 16 видов фоторецепторов, 12 из которых охватывают цветовой спектр от 300 до 700 нм и делят его спектральный мир на шесть дихроматических окон, каждое из которых использует тонкую спектральную дискриминацию. Плюс также имеется 4 вида фоторецепторов, чувствительных к УФ-спектру в двух близких областях. [3]

Рис.3. Глаз Stomatopod-а разделен на три полосы: две периферические, сверху и снизу, дистальная и вентральная, а также центральная полоса, в которой, в свою очередь, есть 6 омматидиальных рядов, каждый из которых обладает своей чувствительностью и содержит разные родопсины. УФ-клетки 4-х видов"разбросаны" равномерно по всему глазу, хотя внутри центральной полосы только 1 вид, а 3 других - в периферических зонах. Нижние два ряда центральной полосы связаны с поляризационным зрением. А верхние 4 определяют цветовое зрение в диапазоне 400-630 нм.

Что любопытно, некоторые ряды омматидий (структурный зрительный элемент равный отдельному глазу) еще и устроены по ярусному типу, когда дистальные ярусы отличаются от проксимальных на 25 нм по чувствительности, что позволяет им осуществлять некоторую дополнительную настройку на цвет и контрастность. [4]

Удивительно, зачем таким простым существам такое сложное зрение? Это еще не учитывая то, что во всех тканях этого ракообразного был найден зрительный пигмент, родоспин, даже на животе, так что этот рачок видит букватно всем телом! Видимо, когда боги давали способности всем животным, рак-богомол стоял первый в очереди и попросил себе самое клёвое зрение и супер-клешни (это вообще отдельная тема).

Ранее ученые уже делали предположение о том, что восприятие близких частот как-то проявляется во взаимодействии, что давало бы рачкам-богомолам эволюционное преимущество. [5] и даже была попытка проверить эту догадку с отрицательным результатом [3]. На самом деле, результат был отрицательный потому, что эксперимент проводился, с точки зрения гипотезы, описываемой в этой статье, неправильно.

Эксперимент проводился так. Ученые использовали специальный тест с цветными картами, подобных тем, которые были разработаны Карлом фон Фришем для пчел и теперь широко используются для ряда животных. В рамках теста животных дрессировали реагировать на цвет определенных длин волн, поощряя их пищей. Рачков натаскали на длины волн 400, 425, 450, 470, 500, 525, 570, 578, 628 и 650 нм. И затем уже обученных рачков-богомолов стимулировали двумя цветами с близкими длинами волн, подаваемыми на концах оптоволоконных проводов, на один из которых животное было отдрессировано как на кнопку подачи еды. Соответственно, рачок старался выбрать цветовое решение, когда странные великаны давали ему еду. Постепенно разницу между длинами волн уменьшали до 25-12 нм, и тогда процент успешного выбора рачком "пищевого" решения падал с 80% до 50%. Поэтому ученые решили, что это как раз тот цветовой интервал, когда рачок перестает различать предложенные цвета.

Рис.4. Фото с эксперимента с дрессированным на цвет раком-богомолом [3].

По этой причине ученые сделали вывод, что их гипотеза о наличии второго альтернативного механизма обработки цветовой информации у стоматопод, а именно о системе множественных дихроматических цветовых оппонентов, не верна. А справедлива их другая гипотеза о монохроматическом 12-канальном восприятии цвета. То есть они решили, что дихроматическое разделение 12-ти цветовых каналов у рачков было создано Природой просто так, от балды, взаимодействия между каналами нет, и они работают по отдельности.

Рис.5. Основные каналы цветового спектра восприятия рачков-богомолов, представленные различными ретунулярными клетками.

Однако в рамках текущей гипотезы, если зрение у рачков-богомолов бинарецепторное, то снижение результата происходило потому, что при одновременной подаче двух сигналов менее 25 нм, зрительная система рачка-богомола начинала воспринимать мерцание, которое в обычной среде связано не столько с питанием, сколько с самоопределением в пространстве, наличии опасностей и коммуникациями, о чем написано ниже. Поэтому рачки в эксперименте просто терялись, когда выученный навык, связанный с питанием, выходил за пределы области их миропонимания.

Тем не менее, эксперимент имел все-таки положительный результат в том, что он определил диапазон включения бинарецепторных эффектов: от 25 до 12 нм.

И этот результат как раз хорошо ложится в данные о разнице между чувствительностью к длинам волн, полученными в этой же работе. Длины волн УФ-спектра, к которым чувствительны глаза стоматопод: 315, 330 и 340, 380 нм. Остальные цветовые каналы чувствительности в видимом диапазоне разнятся от 12 до 50 нм. С учетом ярусной настройки чувствительности в 25 нм, при определенных условиях вполне вероятно появление бинарецепторного мерцания.

Почему бинарецепторное зрение является преимуществом

Рачки-богомолы живут в океане, в условиях, когда пространственная ориентация жизненно важна. Для человека с его моноканальным трихроматическим зрением подводные глубины выглядят одинаково: вокруг все просто синее, постепенно темнеющее к глубинам. Мы не видим, что потоки воды имеют разную температуру или плотность, или соленость. Для трихроматического зрения это все выглядит одинаково, потому что оттенки цветов мы не видим, а распознаем через сочетание основных цветов. Тогда как в случае бинарецепторного зрения все это увидеть не составляет труда, ведь потоки с разной близкой температурой имеют разный коэффициент преломления и имеют слегка разный оттенок, и благодаря бинарецепторному эффекту, рачок видит, как они начинают мерцать особым образом. И для рачка с его очень маленьким мозгом такое зрение бы не потребовало больших мозговых мощностей для обработки информации, поскольку сама его природа рефлекторная.

Кроме того, вспомним 2-е и 3-е свойство бинауральных биений, которые, несомненно, можно перенести и на мерцания бинарецепторного зрения, и которые критически важны.

Бинарецепторное мерцание наверняка также весомо ощущается рачком, когда один из несущих сигналов находится ниже порога чувствительности его глаза. То есть, например, откуда-то приближается хищник, и цвет воды в этом месте уже изменил свою освещенность, но сам объект находится ниже порога видимости. Однако для рачка эта область наполнится характерным мерцанием, и он будет знать об опасности заранее. Так же измерять глубину и дальность предметов в воде гораздо проще, если у тебя в глазах виден спектр "знакомых с яйца" мерцаний. Благодаря бинауральному слуху животные хорошо ориентируются в пространстве, и бинарецепторное зрение может быть сильным аналогом в условиях проживания под водой.

Рис.6. Окраска одного из видов раков-богомолов

А третье свойство бинауральных биений о том, что существует разница гендерной вообще и состоянческой чувствительности для самок, в случае бинарецепторго зрения вообще представляет собой основу коммуникаций и брачных игр для рачков-богомолов. Ведь их панцири раскрашены именно в те цвета, к которым чувствительны их глаза [3]. Вероятно, у женщин эта зависимость от менструального цикла – всего лишь реликт, оставшийся от древнейших времен зарождения зрения. И тут можно уже много фантазировать о том, каким красочным и мерцающим становится мир для самок рачков-богомолов в брачный период, но интереснее было бы это все открыть экспериментально.

Технические перспективы

Конечно, все эти гипотезы нужно проверять и, наверняка, найдется очень много важных нюансов и открытий относительно бинарецепторного зрения.

Однако в качестве полета фантазии хочу развить идею бинарецепторного зрения относительно его гипотетического технического применения. Если бы можно было создать такой прибор, способный к воспроизведению бинарецепторного восприятия, аналогично тому, как это происходит в мозге, то метеорология и наблюдательная астрономия, медицина и океанология (вместе с гидродинамикой) открылись бы нам с новой стороны. Ведь одно дело моделировать потоки в средах, и другое – их «видеть»!

И идеи о том, как гипотетически можно реализовать такой прибор, есть, о чем я могу рассказать в следующей статье, если тема окажется интересной.

Литература:

[1] - Ирина Алдошина, «Основы психоакустики», архив журнала «Звукорежиссер», 1999г.

[2] - Oster, G. (1973). Auditory beats in the brain. Scientific American, 229, pp. 94-102

[3] - Thoen, H. H.; How, M. J.; Chiou, T.-H.; Marshall, J. (2014). A Different Form of Color Vision in Mantis Shrimp. Science, 343(6169), 411–413.

[4] - Cronin, Thomas W.; Marshall, N. Justin (1989). A retina with at least ten spectral types of photoreceptors in a mantis shrimp. 339(6220), 137–140.

[5] - Marshall, Justin; Oberwinkler, Johannes (1999). Nature, 401(6756), 873–874.